配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器無(wú)功電流檢測(cè)方法的研究

平 增，張忠鋒，張 娟，張 輝，張良學(xué)

(1.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州450045;2.吉林省電力有限公司遼源供電公司，吉林 遼源136200;

3.鄭州祥和集團(tuán)電力工程有限公司，河南鄭州450000;4.平頂山易成新材料股份有限公司，河南平頂山467021)

我國(guó)與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在電網(wǎng)的總損耗中，10 kV及以下配電網(wǎng)約占43%［1－3］，同時(shí)在配電網(wǎng)中還容易出現(xiàn)三相負(fù)荷不平衡，功率因數(shù)偏低的情況.所以，一種能夠進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠滿足配電系統(tǒng)需要的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置就顯得很重要.現(xiàn)在，我國(guó)對(duì)靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)的研究主要是在高壓大容量方面，在低壓配電側(cè)方面對(duì)STATCOM的研究還不是很多，所以在配電網(wǎng)中對(duì)STATCOM的研究具有實(shí)際意義.

對(duì)配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器進(jìn)行研究首先需要對(duì)配電網(wǎng)中的無(wú)功電流進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)無(wú)功電流的檢測(cè)是STATCOM最核心的環(huán)節(jié).根據(jù)補(bǔ)償?shù)哪康?，?zhǔn)確實(shí)時(shí)地把負(fù)載電流中的無(wú)功電流分離出來(lái)，以產(chǎn)生需要的無(wú)功電流指令.配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的性能受到無(wú)功電流檢測(cè)方法的影響.一般常用的無(wú)功電流檢測(cè)方法有以下幾種:帶通濾波器法［4］、基于Fryze時(shí)域分析的有功電流分離法［5］、自適應(yīng)檢測(cè)方法［6］、基于小波變換的檢測(cè)方法［7］、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的檢測(cè)方法［8］、基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的電流檢測(cè)方法［9］.

文獻(xiàn)［4］的無(wú)功電流是通過(guò)高通濾波器得到的，該方法的電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì);但是這種方法的濾波效果在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)不是很理想，電流中的無(wú)功分量不能直接檢測(cè)出來(lái).文獻(xiàn)［5］將非線性負(fù)載電流分解為廣義無(wú)功電流和有功電流分量?jī)蓚€(gè)正交的分量，但是該檢測(cè)方法的實(shí)時(shí)性不好.文獻(xiàn)［6］參考輸入為電源電壓，原始輸入為負(fù)載電流，通過(guò)該種方法得到高次諧波和無(wú)功電流的總和，是通過(guò)自適應(yīng)濾波器把電流處理后輸出與負(fù)載電流基波有功分量幅值相位均相等的信號(hào)，并把此信號(hào)從負(fù)載電流信號(hào)中除去.該種方法在電源電壓畸變的情況下，仍然有很好的自適應(yīng)能力，但是此方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，同時(shí)對(duì)硬件電路要求也很高.文獻(xiàn)［7］采用不同尺度的分析方法，最佳的時(shí)域和頻域分辨率可以在信號(hào)的不同地方獲得，但是該檢測(cè)方法要求比較長(zhǎng)的電流信號(hào)周期，同時(shí)計(jì)算量也很大.文獻(xiàn)［8］的原始輸入是非線性負(fù)載電流，輸出和待補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流逼近.該種方法的計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好，抗干擾性好，但是需要的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造方法不是很規(guī)范，需要比較多的訓(xùn)練樣本.

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的無(wú)功電流檢測(cè)方法包括p－q和ip－iq2種檢測(cè)法，也是目前應(yīng)用最廣泛的方法.當(dāng)電網(wǎng)電壓波形沒(méi)有畸變時(shí)，這2種檢測(cè)方法都能對(duì)無(wú)功電流進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè);當(dāng)電網(wǎng)電壓有畸變時(shí)，p－q檢測(cè)法有很大的誤差，而ip－iq檢測(cè)法能有效地避免電壓畸變所帶來(lái)的影響［10］.但是不能分離出無(wú)功電流，并且ip－iq檢測(cè)法中為了產(chǎn)生與電源電壓同步的正弦和余弦信號(hào)需要用到鎖相環(huán)(PLL).鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓畸變的情況下，會(huì)使檢測(cè)誤差增大，所以無(wú)功電流不能準(zhǔn)確地檢測(cè)出來(lái).同時(shí)，PLL電路還增加了電路板的面積，調(diào)試和設(shè)計(jì)也不簡(jiǎn)單［11］.文中在這2種方法的基礎(chǔ)上采用一種無(wú)鎖相環(huán)的檢測(cè)方法.該檢測(cè)方法能在電壓畸變的情況下準(zhǔn)確地檢測(cè)出系統(tǒng)電流中的無(wú)功，并且實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的實(shí)用性.

1 p－q檢測(cè)法

p－q檢測(cè)方法流程如圖1所示.

圖1 p－q檢測(cè)方法流程

圖1中:C32為坐標(biāo)變換矩陣;LPF為低通濾波器;p，q分量可以根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率定義［12］計(jì)算得出;p，q的直流分量p，q可以通過(guò)低通濾波器LPF得到;ia，ib，ic的基波分量可以由p，q通過(guò)反變換計(jì)算得到，即

如果要得到三相系統(tǒng)中的諧波分量，只需將基波分量 iaf，ibf，icf與原三相電流瞬時(shí)值 ia，ib，ic相減即可.

如果要得到電路中的諧波和無(wú)功電流，則可將圖1中的無(wú)功分量q通道斷開(kāi)，此時(shí)由有功分量p反變換計(jì)算得到原電流中的基波有功電流分量ipaf，ipbf，ipcf，即

所以可以通過(guò) ipaf，ipbf，ipcf與 ia，ib，ic相減得到原電流中諧波分量和無(wú)功分量之和.

STATCOM用于補(bǔ)償無(wú)功電流，所以只需將無(wú)功分量q直接反變換即可.

此時(shí)，低通濾波器可以省略，得到的是三相電路中的無(wú)功電流瞬時(shí)值.跟蹤此無(wú)功電流，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功電流的實(shí)時(shí)補(bǔ)償.

該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但在電壓畸變的情況下誤差比較大.

2 ip－iq檢測(cè)法及其無(wú)鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)

ip－iq檢測(cè)法流程如圖2所示.

圖2 ip－iq檢測(cè)法流程

圖2中的變換矩陣C為

該檢測(cè)方法的主要目標(biāo)是計(jì)算出瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq.ip－iq檢測(cè)法采用的變換矩陣C是采用一相電壓(例如a相電壓)，通過(guò)鎖相環(huán)(PLL)獲得與之同相位的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，從而構(gòu)造變換出來(lái)的.在通過(guò)變換矩陣C之后，三相電流可以變換為瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq.直流分量ip和iq在經(jīng)過(guò)低通濾波器LPF之后獲得，iaf，ibf，icf在經(jīng)過(guò)直流分量ip和iq反變換計(jì)算后即可得到.

如果要得到三相系統(tǒng)中的諧波分量，只需將iaf，ibf，icf與 ia，ib，ic相減即可.

如果要檢測(cè)電路中的諧波電流和無(wú)功電流之和，則可斷開(kāi)圖2中無(wú)功電流分量iq的通道，此時(shí)原電流中的基波有功電流分量可以通過(guò)反變換計(jì)算得到，即

原電流中諧波分量和無(wú)功分量之和可以通過(guò)ipaf，ipbf，ipcf與 ia，ib，ic相減得到.

對(duì)此電流進(jìn)行跟蹤，即可實(shí)現(xiàn)STATCOM對(duì)無(wú)功電流的實(shí)時(shí)補(bǔ)償.該檢測(cè)法在補(bǔ)償無(wú)功電流時(shí)和p－q檢測(cè)法相似，不需要低通濾波器LPF，因而可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè).

但是該檢測(cè)方法在電壓畸變的情況下不能分離基波中的有功和無(wú)功，并且由于鎖相環(huán)(PLL)的存在，使該檢測(cè)方法的計(jì)算比較復(fù)雜，響應(yīng)比較慢.

如圖2所示，ip－iq檢測(cè)法中需用到鎖相環(huán)(PLL)，利用PLL可以得到三相電流的基頻和初相角，但是受信號(hào)的影響往往比較大.當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)誤差，從而無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)出需要的電流.同時(shí)，PLL電路不但使電路板的面積增加，同時(shí)也使設(shè)計(jì)和調(diào)試比較復(fù)雜.為了解決使用鎖相環(huán)所帶來(lái)的誤差，并結(jié)合ip－iq檢測(cè)法的特點(diǎn)可知，通過(guò)鎖相環(huán)獲得變換矩陣C中的w，可以通過(guò)采用單相電壓構(gòu)造出同步旋轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)鎖相環(huán)的目標(biāo).

三相不平衡a相電壓表達(dá)式可以表示為

式中:Aa為a相電壓的基波幅值;Aka為k次諧波電壓的幅值.

將ua經(jīng)過(guò)一個(gè)微分器得到

式(9)的第一項(xiàng)是式(8)第一項(xiàng)的微分量，二者是正交的關(guān)系.由于實(shí)際電網(wǎng)電壓的畸變量一般很小并且為高次諧波，所以可以把ua和的第一項(xiàng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器分離出來(lái).

設(shè)ua分離后的Aasin(wt)值為x分離后的Aawcos(wt)值為 y，則

由于電網(wǎng)頻率的偏差一般不會(huì)超過(guò)0.5 Hz，是很小的，令ω=100 π，則可以得到

利用公式(11)就可以減小ip－iq檢測(cè)法中利用鎖相環(huán)電路獲取同步旋轉(zhuǎn)角帶來(lái)的延時(shí)誤差.

3 電壓畸變情況下的控制策略

綜合p－q檢測(cè)法和ip－iq檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)，采用能在電壓畸變的情況下仍能檢測(cè)出STATCOM無(wú)功電流的方法，其原理如圖3所示.系統(tǒng)基波電壓對(duì)應(yīng)α －β坐標(biāo)系下的分量uα0和 uβ0，可以通過(guò)三相系統(tǒng)電壓ua，ub，uc經(jīng)過(guò)無(wú)鎖相環(huán)ip－iq檢測(cè)法后得到，并用 uα0和 uβ0替代普通 p－q法中只經(jīng)過(guò) C32變換得到的uα和uβ，將圖3中ip斷開(kāi)，然后按p－q法的規(guī)律計(jì)算出的電流iaq，ibq，icq即為無(wú)功電流.

圖3 STATCOM無(wú)功電流檢測(cè)原理

4 結(jié)語(yǔ)

在綜合基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的p－q和ip－iq2種檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，采用一種新的檢測(cè)方法對(duì)配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的無(wú)功電流進(jìn)行研究.該方法的優(yōu)點(diǎn)是采用無(wú)鎖相環(huán)，避免了鎖相環(huán)所帶來(lái)延時(shí)誤差，并且該方法可以在電壓畸變的情況下，仍然可以檢測(cè)出配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的無(wú)功電流，所以此方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性.

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